浅谈合成氨工艺
氮肥生产是高能耗的工业，其生产成本主要取决于系统的能耗，系统能耗除了与采用的工艺流程有关外，在很大程度上取决于系统控制的算法及稳定性，因此，化肥生产过程的控制系统对整个生产成本具有关键意义。本文比较详细的介绍了合成氨的工艺流程，并对化肥的生产做了介绍，并且从再生产的角度介绍了钢铁厂的副产业——硫酸铵的生产。最终对我国合成氨技术的发展做了展望。
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。本次化工见习，我们参观了玉溪新兴钢铁有限公司和峨山化肥厂，对合成氨工艺，以及化肥生产工艺，有了质的认识。 详细的工业流程又可分为一下几步：
（1）以无烟煤为原料合成氨常见的工艺过程是：
造气 -> 半水煤气脱硫 -> 压缩机1，2工段 -> 变换 -> 变换气脱硫 ->压缩机3段 -> 脱硫 ->压缩机4，5工段 -> 铜洗 -> 压缩机6段 -> 氨合成 -> 产品NH3
（2） 采用甲烷化法脱硫除原料气中CO. CO2 时, 合成氨工艺流程图如下：
造气 ->半水煤气脱硫 ->压缩机1,2段 ->变换 -> 变换气脱硫 -> 压缩机3段 ->脱碳 -> 精脱硫 ->甲烷化 ->压缩机4,5,6段 ->氨合成 ->产品NH3 一、合成氨工艺
德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即“循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：
N2+3H2≈2NH3
在合成氨的所有流程中，核心围绕此方程式展开，用最低的能耗量，得到最高质量的产品。
合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。原料气制备，即将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。净化是对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。
合成氨系统是由一个个相对独立的单元（工段）组成的。各单元之间具有密切关系。上一单元的产品或输出，即为下一单元的原料或输入，各个单元相互紧密联系形成一个连续的生产过程。各个单元在地域上相互分散，但距离又不很远。现将整个生产过程分为造气、脱硫、压缩、变换、脱碳、合成、等主要单元（工段）进行合成氨工艺的简要介绍。上述各单元（工段）的操作在工艺上密切联系，但在地域上分散、在控制上相对独立。 1、造气
造气一般是以块煤为原料，采用间歇式固定层常压气化法，在高温和程控机油传动控制 下，交替与空气和过热蒸汽反应。反应方程式： 吹风 C+O2→CO2+Q CO2+C→2CO-Q
上、下吹 C+H2O(g) →CO+H2-Q A、吹风阶段
吹风阶段的主要作用是产生热量，提高燃料温度。 B、上吹（加氮）阶段
上吹阶段的主要作用是置换炉底空气，吸收热量、制造半水煤气，同时加入部分氮气。 C、下吹阶段
下吹阶段作用是制取半水煤气，吸收热量，使上吹后上移的气化层下移。 D、二上吹阶段
二上吹的主要作用是将炉底及进风管道中煤气吹净并回收，确保生产安全。 E、吹净阶段
吹净的主要作用是回收造气炉上层空间的煤气及补充适量的氮气，以满足合成氨生产对氮氢 比的要求。
在生产中，一般均是多个造气炉组成一组。在多台造气炉同时投入运行时，为了保证造气炉在吹风阶段的风量，必须对造气炉的吹风阶段进行顺序控制。对造气炉进行吹风排序，也就是要实现吹风时间自寻优及动态跟踪。 2、变换
经过压缩有一定压力的半水煤气先经过油水分离器，除去煤气中的油物。然后进入饱和塔的下部与热水进行交换后升至一定温度，经过气水分离器分离出煤气中的水份。去除水分的煤气进入预热交换器，与中变炉出口的高温煤气进行两次热交换后，进入中变炉，在触媒的催化作用下，煤气中的一氧化碳发生反应，生成二氧化碳，中变炉的炉体内有三层反应区，在正常的工艺状况下，第一层的反应温度控制在450℃左右，第二层反应温度控制在400℃左右，第三层的反应温度控制在380℃左右。反应后出中变炉的变换气进入
与入口水煤气进行热交换的两级热交换器后，再进入低变炉使变换气中的一氧化碳进一步变换，经过两次变换的水煤气成为合格的变换气后，经热水塔，冷却塔之后送入下一工段进行后续处理。 变换工艺流程图
在变换工段中，比较典型的控制回路包括入变换气汽比调节，中变炉煤气副线流量调节，中变炉中段温度喷水控制，中变炉下段温度喷水控制，饱和塔液位控制，水分出口煤气温度的调节等几部分。入变换蒸汽流量与入变换半水煤气流量的比值调节采用先进控制器，对比值控制器的给定值进行修正，并设置煤气流量变化速率控制器来防止在系统加减量时，中变炉出口CO 超标，达到汽气比控制的目的。
3、脱碳
含有一定浓度（CO2）的变换气进入吸收塔内。气体中CO2被逆流流下的碳酸丙烯酯所吸收。净化CO2气脱至所要求的浓度由塔顶排出，成为可供用户使用的工艺气。吸收CO2后的碳酸丙烯酯富液经涡轮机回收能量后，在高压闪蒸槽内闪蒸。高压闪蒸液再到减压槽进行减压闪蒸。减压闪蒸汽相含浓度较高的CO2，可供用户使用。减压闪蒸液在气提塔内经空气气提再生，再生后的碳酸丙烯酯贫液经循环液泵送回吸收塔循环使用。气提空气由通风机从气提塔塔底送入。
高压闪蒸汽中含CO2及部分工艺气。高压闪蒸汽可全部或部分返回压缩与原料气汇合，以回收氮气和氢气。
脱碳过程中，入脱碳塔贫液的流量，将直接影响二氧化碳在脱碳塔中的溶解度。流量过小，原料气中的CO2不能被充分吸收；流量过大，能耗增加。闪蒸槽的液位和压力，对于原料气的回收再利用有重要作用，它不仅可以回收闪蒸汽里的氮气和氢气，还可以减少碳酸丙烯酯的损失。 脱碳后煤气送入下一个工段进行进一步处理。 4、合成
目前国内大多数中小氮肥企业均采用中压法氨合成工艺，其合成压力为31.4MPa。合成塔的直径一般为Ф800～Ф1200mm。主要是将压缩送来的合格精炼气在适当的温度、压力和触媒存在的条件下合成为氨，所得气氨经冷却水及液氨冷却，冷凝为液氨，并将液氨从氢氮气中分离出来，未合成的氢氮气补充部分新鲜气继续在合成系统内循环合成。
氨合成工段中主要工艺参数的优化控制非常重要，直接影响合成氨的产量和消耗指标。控制方案以降低吨氨消耗为目标，控制参数为催化剂温度、惰性气体的含量、氨冷出口温度及氨冷器、冷交换路、氨分离器的三大液位。 （1）、氢氮比调节：
氢氮比自调是合成控制中的难点，从造气到合成的滞后时间，开满量时，一般小化肥厂为30分钟，开联醇为45分钟。正确认识从造气到合成整个流程中氢比演变规律是搞好调节的基础。规律主要为二点；从造气到合成塔入口基本为纯滞后，各点氢比测量曲线呈简单相似现象，并含有一定的容量滞后，合成塔塔前塔后氢比信号呈微积分关系。记录各测量点氢比偏差记录曲线，据此可发现演变规律，监视分析调节效果，计算开表数据，以此数据二维查表控制阀门输出能达到较好的控制效果。 （2）、合成塔内触媒层热点温度控制
合成塔各催化剂层热点温度的控制，是采用调节未反应的冷气体加入量的方法来控制各段温度，由于反应温度比较容易稳定，所以一般采用手动遥控。 （3）、循环气氨冷器出口温度和液位控制
为了更好地控制温度；采用串级控制方案，以温度回路为主回路，液位为副回路。为了保证液位，当液位超限时，切断串级回路，使回路的串级状态切换为副回路的自动状态；确 保液位在安全值内。
循环气氨冷器出口温度和液位控制原理框图 （4）、新鲜气氨冷器液位控制
在新鲜气氨冷器液位调节系统中，水位测量值与给定常数进行PID 运算，运算结果调节氨冷液位调节阀开度，从而维持氨冷液位恒定。
氨分离器的液位控制、冷交换器的液位控制、废热锅炉的液位控制，这几个回路采用单回路控制。
单回路调节框图
5、达到的技术指标：
(1) 原料煤: 无烟煤: 粒度15-25mm 或25-100mm 固定75%蒸汽: 压力0.4MPa, 1-3MPa、
(2) 产品: 合成氨：氨含量（99.8%） 残留物含量（0.2%） 二、甲醇的生产
甲醇是重要的有机化工原料，又是优良的能源载体。近代工业甲醇生产主要以天然气、煤炭为原料转化和气化制得，我国目前年产5万吨和10万吨的生产装置大都是以煤炭为原料制得。因此，在合成氨的化肥厂，一般都会有甲醇的生产点。 甲醇的生产一般分为合成和精馏两个工段。 1、甲醇合成：脱碳岗位送来的净化气和循环机来的循环气在油分离器混合，经油水分离器分离油水，剩余的原料气分主副线进入合成塔合成生成粗甲醇气，借助于铜基催化剂的作用，CO、CO2和H2进行化合反应生成甲醇，经冷凝到醇分离器分离得粗甲醇，减压后送中间槽，不凝气体一部分加压循环使用，一部分经高压水洗塔水洗掉夹带的甲醇经铜洗送入氨合成系统，粗甲醇送精馏。
2、甲醇精馏：甲醇的精馏工艺，多数采用两塔流程，少数生产规模较大的厂采用三塔流程，年产5-10万吨的装置一般都采用两塔流程。粗醇经预塔给料泵加压经粗醇预热器加热到65℃左右进初塔，同时初塔再沸器用蒸汽加热使塔内液体蒸发，甲醇及其他轻组分的蒸汽由塔顶蒸出，冷凝后打回流。控制出气温度40-45℃，塔釜温度75-85℃；塔顶温度60-65℃。经预塔底出来的预后甲醇给主塔，主塔再沸器加热使塔底温度控制在104-120℃，塔顶出气温度控制在65-70℃，在塔顶采出回流液即精醇；合格后送精醇储槽。 三、尿素的生产
尿素的生产原理是氨与二氧化碳的合成，生产方法有水溶液全循环法、气提法、中压联尿法，小氮企业大多采用水溶液全循环法。其反应方程式为：
2NH3（液）+CO2（气）CO（NH2）2（液）+H2O（液）+Q
二氧化碳（压力为20.69MPa，温度为125℃）经压缩机压缩进入合成塔，从一吸塔送来的90℃甲铵液经一甲泵加压至20.69MPa 送入合成塔，液氨在氨预热器中加热至60℃送入合成塔，在合成塔中进行合成反应。在反应的过程中，合成塔的操作压力为19.6 MPa，温度为186-191℃，整个反应过程CO2的转化率在63℅左右。出尿素合成塔的反应液含有尿素、甲铵、过剩氨和水，出来后经过压力调节阀减压至1.77MPa 进入预蒸馏塔上部，在此分离出闪蒸气体后，液体自流到中部蒸馏段，与从一分加热器出来的热气逆流换热，使液相中的部分甲铵分解与过剩氨蒸出、气化进入气相。预蒸馏后的尿液自蒸馏下部流入一分加热器，物料温度控制在155-160℃，在此甲铵的分解率达到80℅，总氨蒸出率达到90℅。从一分加热器出来的尿液进入预蒸馏塔下部的分离器进行气液分离，液相自塔底排出，经减压后送至二分塔。尿液在二分塔上部闪蒸后，液体经过液体分离器进入蒸馏段，与下分离段出来的气相逆流接触换热，出蒸馏段的尿液从底部进入加热段的列管内，物料温度控制在135-140℃，使甲铵基本分解，气液混合物进入下分离段进行气液分离，尿液经液位调节阀入闪蒸槽。在闪蒸槽中液相残余的氨和二氧化碳大部分逸入气相，尿液直接进入一段蒸发器或流入尿液槽。尿液经一段蒸发加热器下部热能回收段和上部蒸汽加热段加热到130℃，压力控制在0.033MPa（绝压），
这时浓度提高至96℅。尿液经一段蒸发器分离段出来去二段蒸发器，在0.0033 MPa（绝压）、140℃的条件下被浓缩成99.7℅的熔融尿素，经分离段分离后，熔融，尿素由熔融泵送往造粒塔顶部的旋转喷头进行造粒。
尿素生产控制回路比较多，包括温度、压力、流量、液位的控制，其中合成塔压力调节、中压压力调节、低压系统压力调节这几个调节回路尤为重要。主要调节回路一般都采用1：1
冗余方式。其它控制回路有：闪蒸下液温度调节、解吸塔温度调节、解析塔压力调节、解析加液流量调节、一分加液位槽液位调节、二分加液位槽液位调节、解吸塔液位调节、二分塔出料温度调节、一分塔底温度调节、一洗塔底温度调节、一段蒸发温度调节、二段蒸发温度调节、一分塔液位调节、二分塔液位调节、一吸塔液位调节等。这些调节回路一般采用单回路控制即可达到很好的控制效果。 四、我国合成氨工业的发展情况
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。
近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。
根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期，改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。
浅谈合成氨工艺[1]
